1.5 MW风机主轴轴承装配问题处理方案

苏宁列

(东方电气风电有限公司，四川618000)

1 风机主轴轴承装配问题概述

主轴轴承是风机机械部分的重要零件，轴承装配是主轴系统装配中的重要一环。某型1.5 MW风机主轴轴承采用双列球面滚柱轴承，其中使用SKF轴承较多，装配方式采用电磁感应加热装配法。

主轴轴承在装配过程中出现的最大问题是“卡死”，轴承卡死在主轴轴颈上端，下不去，也取不出来，见图1。从而导致该部套无法进入下一道装配工序，对风电生产进度带来影响，造成较大的经济损失。

图1 主轴轴承卡死实例

轴承装配工艺要求：轴承装配完成后，轴承与主轴侧迷宫式油封四周需接触，0.02 mm塞尺全周不入。由图1可以看出：轴承卡死情况下，轴承下端面与主轴侧油封之间还存在一段距离，实测为40 mm。

问题发生后，应及时查明原因，避免以后再次发生类似情况；同时，应考虑如何将出现的问题处理好，最大程度减少经济损失。

2 原来处理方案

当轴承装配出现卡死问题时，以前的处理方案为：破坏轴承而保全主轴。

2.1 操作步骤

(1)以木方垫块做支撑，将主轴轴向水平放置平稳，用紫铜皮做成专用圆筒，保护T型螺纹，使用耐火材料保护主轴的其余部位，然后采用碳弧气刨轴承外圈；

(2)轴承外圈割开后，拆卸轴承保持架及滚动体，并清理轴承内圈；

(3)使用耐火材料保护主轴，采用火焰烤枪(5支左右)对主轴轴承内圈的不同部位同时进行加热，待轴承内圈受热膨胀后将其拔出。

2.2 存在问题和经济分析

2.2.1 存在问题

(1)按此类方法取出轴承后，主轴会有不同程度的拉毛及局部掉漆现象。因此，轴承拔出后，钳工需对主轴拉毛部位进行抛磨处理，若主轴存在掉漆现象，需进行补漆；

(2)采用破坏轴承的方法，从碳弧气刨外圈到主轴补漆，完成的总处理时间需要半个月以上，周期比较长；

(3)轴承报费，造成较大经济损失。

2.2.2 经济分析

破坏轴承、抛磨处理及补漆费用约2万元。轴承损失费用约13万元。直接经济损失合计约15万元。间接经济损失：风电机组装配进度及交货期延后；主轴质量由优质降为回用；对质量声誉造成一定影响。

从以上存在问题和经济分析可以看出，破坏轴承的处理方法效果比较差、成本高、周期长，急需进行改进。

3 改进方案

3.1 改进方案原则

通常主轴轴承的装配是在“主轴和轴承尺寸检查合格”的情况下进行的。轴承装配出现的卡塞问题大多缘于轴承加热温度不够、吊装不及时等因素所致。改进方案的原则是：既保护好主轴，又保护好轴承，并将轴承重新装配到位。

3.2 保全轴承的方法

保全轴承的方法有以下两种：

(1)用火焰烤枪将轴承加热到120℃后，通过主轴中心孔浇灌液氮使主轴冷却，收缩轴颈尺寸。当主轴和轴承间产生间隙、出现松动时，利用轴承自重或采用软金属锤(如铜棒)轻轻敲打，使轴承装配到位。

(2)用导热油加热主轴轴承内圈，待轴承内圈温度达到120℃后，通过相关工装对主轴轴承施加一定的轴向力，将轴承装配到位。

3.3 可行性分析

(1)方法一能保全轴承，但其对主轴而言，相当于进行低温回火后又进行淬火处理，会对主轴造成一定伤害。因此，该方案不宜采用。

(2)方法二能保全主轴，经查相关资料和实际研究得知，双列球面滚柱轴承可以承受较大的轴向力，对主轴轴承施加适当的轴向力以后，不会对轴承造成伤害。因此所研究的改进方案为：根据需要设计部分工装，采用导热油加热主轴轴承内圈，对轴承进行装配处理。

3.4 工装设计

3.4.1 轴承轴向载荷计算

主轴轴承结构如图2所示，球面滚柱轴承具备固有的自调心功能，而且很坚固。双列滚柱使该轴承能够承受重载荷。

由于其特殊的内部设计，球面滚柱轴承可承受很重的轴向载荷，甚至纯轴向载荷。轴承的轴向载荷可用下面公式进行计算：

Fap=0.003Bd

式中，Fap为最大容许轴向载荷，单位kN；B为轴承宽度，单位mm；d为轴承内径，单位mm。

Fap=0.003×272×600=489.6 kN

要求实际操作中对轴承所施加的轴向力需控制在489.6 kN以内。以此计算结果为依据，选用两个20 t液压千斤顶，圆周对角安装，对称施加作用力。

图2 主轴轴承结构图

图3 SKF轴承压入安装法

Figure 3 Press assembly of SKF bearing

图4 顶盘

Figure 4 Terminal disc

3.4.2 工装零部件设计

参照SKF轴承压入安装法见图3，当轴承内圈与轴是紧配合，外圈与轴承座为较松配合时，装配压力施加在轴承内圈上。为此，本方案在液压千斤顶与轴承间需设计一盘状施力部件——顶盘，见图4。顶盘为软钢材料，经起吊螺钉与主轴套装，与轴承内圈充分接触，有效接触面积为：

A=π(D2-d2)4

=3.14×(6752-6102)4=65600 mm2

顶盘与轴承接触端的外缘直径比轴承内圈挡边略小，以免压在保持架或滚柱上。将液压千斤顶放置在顶盘上施加压力，可通过过盈配合的轴承内圈来传递该作用力，有效地避免了对轴承滚道和滚动体的损伤。

为方便导热油能够有效加热轴承内圈，在顶盘外边缘与轴承接触的一面设计成倒角形，如图5所示。

图5 顶盘外边缘局部图

1—主轴 2—主轴轴承 3—顶盘 4—液压千斤顶 5—螺杆 6—U型钢 7—垫片 8—螺母

图6 工装总成轴侧图

Figure 6 Tooling assembly shaft side diagram

(a)剪力图

(b)弯矩图

图7 U型钢剪力图和弯矩图

Figure 7 Shearing force and bending moment of U shaped steel

在液压千斤顶上放置U型钢，通过螺杆及紧固件将其与主轴法兰盘相连接。螺杆采用∅38 mm的圆钢(45号钢)加工而成，U型钢为Q345-B的锻件。紧固件选用8.8级以上。工装总成如图6所示。

3.4.3 零部件强度校核

单个液压千斤顶作用力为20 t，即P=0.2 MN。45号钢的许用拉伸应力为600 MPa，Q345-B许用弯曲应力为265 MPa，许用剪切应力为155 MPa。U型钢受横力弯曲，剪力图和弯矩图如图7所示。

(1)螺杆拉伸应力的校核：

σ=P2A

=98.3 MPa<600 MPa

(2)U型钢剪切应力的校核：

τ=3Q2bh

=12.5 MPa<155 MPa

(3)U型钢弯曲应力的校核：

σmax=MmaxW

=6PL4bh2

=250 MPa<265 MPa

由以上计算可以看出，所选材料强度满足设计要求。

3.4.4 加热工具设计

改进方案采用导热油将轴承加热到120℃，以达到轴承膨胀后与主轴间保持最大间隙量，减少轴承装配所需的轴向力。另外，加热轴承还需设计配置一套射油管，见图8。射油管采用高压油管制作，内侧均匀密布射油小孔，便于导热油与轴承的热传递。

将导热油通过电动泵注入射油管中，射油管内下侧开小孔，导热油由小孔射出，通过顶盘外缘倒角处向轴承内圈浇油对轴承内圈加热。

图8 射油管

3.5 操作步骤

(1)准备“2.4 m×2.4 m×0.8 m”的油池一个，将导热油(约800 L)事先加热到140℃以上，以备使用。实际应用中，加热油也可使用风场返修齿轮箱的废弃润滑油，以降低成本。

(2)在钢板地上放置4个平面千斤顶，将“卡死”的问题轴承连同主轴平稳吊放其上，通过平面千斤顶调整主轴法兰面水平。

(3)清洗工装各部件，防止杂物掉入轴承内。

(4)按图纸要求依次装配工装各零部件，将液压千斤顶与主轴绑扎在一起，防止滑落。

(5)按把紧螺栓力矩1800 N·m，并用液压千斤顶施加一定的力(防止整套工装松动即可)。

(6)在油池中放入支撑垫块，将装好工装的主轴吊装到油池上方，平稳放置在垫块上。

(7)采用电动泵将已加热140℃左右的导热油注入射油管中，射油管通过顶盘外缘倒角处向轴承内圈浇油。

(8)采用红外线测温仪测量轴承内圈的温升(可在装配射油管前预留出检测空间)，并注意观察液压千斤顶的松紧程度变化。

(9)导热油工作10 min后，轴承内圈温度上升到110～120℃，液压千斤顶出现松动，此时可操作液压千斤顶向顶盘施加压力(此过程中不可停止导热油加热，液压千斤顶的操作不能间断)，操作持续几分钟，轴承即可装配到位。

(10)待轴承装配到位后，停止射油管工作，将主轴连同工装一并吊离油池，吊放在场外预先准备好的平台上。

(11)所有工作人员戴上专用的防护具及耐热手套，用软布擦干工装及轴承上的导热油，然后拆解工装，并检查轴承装配尺寸，根据需要可采用尼龙锤对热轴承轻轻敲击以修正微小偏差。

(12)轴承自然冷却到室温。

(13)轴承冷却后，工作人员还应进行复验。

3.6 改进方案后效果

采用改进方案处理后，主轴没有出现拉毛和掉漆问题，有效保护了主轴和主轴轴承，跟踪车间盘车试验及风电运行情况，轴承工作正常，达到了预期效果。

此方案的工装费用只有1000元左右，油池及导热油是风电2.5 MW风机装配试验的现有设备和余油，导热油还可使用风场返修齿轮箱的废油。工装工具的准备时间为3天，实际操作过程可在4 h内结束。相比于原来采用的破坏轴承方案，改进方案后，操作时间短、效果好、费用低。

4 结语

通过以上工装设计、计算和实际使用效果可以看出，风电主轴轴承卡死问题处理的改进方案是合理可行的。该项设计为今后同类轴承装配过程中出现“卡死”问题的处理提供了有效的方法。